1 2 N Chu kỳ bus (chu kỳ TDMA)
2.8.4 Kiến trỳc giao thức OS
Trờn thực tế, khú cú thể xõy dựng được một mụ hỡnh chi tiết thống nhất về chuẩn giao thức và dịch vụ cho tất cả cỏc hệ thống truyền thụng, nhất là khi cỏc hệ thống rất đa dạng và tồn tại độc lập. Chớnh vỡ vậy, năm 1983 tổ chức chuẩn hoỏ quốc tế ISO đó đưa ra chuẩn ISO 7498 với mụ hỡnh qui chiếu OSI (Open System Interconnection - Reference Model), nhằm hỗ trợ xõy dựng cỏc hệ thống truyền thụng cú khả năng tương tỏc.
Lưu ý rằng, ISO/OSI hoàn toàn khụng phải là một chuẩn thống nhất về giao thức, cũng khụng phải là một chuẩn chi tiết về dịch vụ truyền thụng. Cú thể thấy, chuẩn này khụng đưa ra bất kỳ một qui định nào về cấu trỳc một bức điện, cũng như khụng định nghĩa bất cứ một chuẩn dịch vụ cụ thể nào. OSI chỉ là một mụ hỡnh kiến trỳc phõn lớp với mục đớch phục vụ việc sắp xếp và đối chiếu cỏc hệ thống truyền thụng cú sẵn, trong đú cú cả việc so sỏnh, đối chiếu cỏc giao thức và dịch vụ truyền thụng, cũng như cơ sở cho việc phỏt triển cỏc hệ thống mới.
70
Theo mụ hỡnh OSI, chức năng hay dịch vụ của một hệ thống truyền thụng được chia thành bảy lớp, tương ứng với mỗi lớp dịch vụ là một lớp giao thức. Cỏc lớp này cú thể do phần cứng hoặc phần mềm thực hiện, tuy nhiờn chuẩn này khụng đề cập tới chi tiết một đối tỏc truyền thụng phải thực hiện từng lớp đú như thế nào. Một lớp trờn thực hiện dịch vụ của mỡnh trờn cơ sở sử dụng cỏc dịch vụ ở một lớp phớa dưới và theo đỳng giao thức qui định tương ứng. Thụng thường, cỏc dịch vụ
cấp thấp do phần cứng (cỏc vi mạch điện tử) thực hiện, trong khi cỏc dịch vụ cao cấp do phần mềm (hệ điều hành, phần mềm điều khiển, phần mềm ứng dụng) đảm nhiệm.
Việc phõn lớp khụng những cú ý nghĩa trong việc mụ tả, đối chiếu cỏc hệ thống truyền thụng, mà cũn giỳp ớch cho việc thiết kế cỏc thành phần giao diện mạng. Một lớp bất kỳ trong bảy lớp cú thể thay đổi trong cỏch thực hiện mà khụng ảnh hưởng tới cỏc lớp khỏc, chừng nào nú giữ nguyờn giao diện với lớp trờn và lớp dưới nú. Vỡ đõy là một mụ hỡnh qui chiếu cú tớnh chất dựng để tham khảo, khụng phải hệ thống truyền thụng nào cũng thực hiện đầy đủ cả bảy lớp đú. Vớ dụ, vỡ lý do hiệu suất trao đổi thụng tin và giỏ thành thực hiện, đối với cỏc hệ thống bus trường thụng thường chỉ thực hiện cỏc lớp 1, 2 và 7. Trong cỏc trường hợp này, cú thể một số lớp khụng thực sự cần thiết hoặc chức năng của chỳng được ghộp với một lớp khỏc (vớ dụ với lớp ứng dụng).
Một mụ hỡnh qui chiếu tạo ra cơ sở, nhưng khụng đảm bảo khả năng tương tỏc giữa cỏc hệ thống truyền thụng, cỏc thiết bị truyền thụng khỏc nhau. Với việc định nghĩa bảy lớp, OSI đưa ra một mụ hỡnh trừu tượng cho cỏc quỏ trỡnh giao tiếp phõn cấp. Nếu hai hệ thống thực hiện cựng cỏc dịch vụ và trờn cơ sở một giao thức giống nhau ở một lớp, thỡ cú nghĩa là hai hệ thống cú khả năng tương tỏc ở lớp đú. Mụ hỡnh OSI cú thể coi như một cụng trỡnh khung, hỗ trợ việc phỏt triển và đặc tả cỏc chuẩn giao thức.
71
Cần phải nhấn mạnh rằng, bản thõn mụi trường truyền thụng và cỏc chương trỡnh ứng dụng khụng thuộc phạm vi đề cập của chuẩn OSI. Như vậy, cỏc lớp ở đõy chớnh là cỏc lớp chức năng trong cỏc thành phần giao diện mạng của một trạm thiết bị, bao gồm cả phần cứng ghộp nối và phần mềm cơ sở. Cỏc mũi tờn nột gạch chấm biểu thị quan hệ logic giữa cỏc đối tỏc thuộc cỏc lớp tương ứng, trong khi cỏc mũi tờn nột liền chỉ đường đi thực của dữ liệu.
Lớp ứng dụng (application layer)
Lớp ứng dụng là lớp trờn cựng trong mụ hỡnh OSI, cú chức năng cung cấp cỏc dịch vụ cao cấp (trờn cơ sở cỏc giao thức cao cấp) cho người sử dụng và cỏc chương trỡnh ứng dụng. Vớ dụ, cú thể sắp xếp cỏc dịch vụ và giao thức theo chuẩn
MMS cũng như cỏc dẫn xuất của nú sử dụng trong một số hệ thống bus trường thuộc lớp ứng dụng.
72
Cỏc dịch vụ thuộc lớp ứng dụng hầu hết được thực hiện bằng phần mềm. Thành phần phần mềm này cú thể được nhỳng sẵn trong cỏc linh kiện giao diện mạng, hoặc dưới dạng phần mềm điều khiển (drivers) cú thể nạp lờn khi cần thiết, và/hoặc một thư viện cho ngụn ngữ lập trỡnh chuyờn dụng hoặc ngụn ngữ lập trỡnh phổ thụng. Để cú khả năng sử dụng dễ dàng trong một chương trỡnh ứng dụng (vớ dụ điều khiển cơ sở hoặc điều khiển giỏm sỏt), nhiều hệ thống cung cấp cỏc dịch vụ này thụng qua cỏc khối chức năng (function block). Đối với cỏc thiết bị trường thụng minh, cỏc khối chức năng này khụng chỉ đơn thuần mang tớnh chất của dịch vụ truyền thụng, mà cũn tớch hợp cả một số chức năng xử lý thụng tin, thậm chớ cả điều khiển tại chỗ. Đõy cũng chớnh là xu hướng mới trong việc chuẩn húa lớp ứng
dụng cho cỏc hệ thống bus trường, hướng tới kiến trỳc điều khiển phõn tỏn triệt để.
Lớp biểu diễn dữ liệu (presentation layer)
Trong một mạng truyền thụng, vớ dụ mạng mỏy tớnh, cỏc trạm mỏy tớnh cú thể cú kiến trỳc rất khỏc nhau, sử dụng cỏc hệ điều hành khỏc nhau và vỡ vậy cỏch biểu diễn dữ liệu của chỳng cũng cú thể rất khỏc nhau. Sự khỏc nhau trong cỏch biểu diễn dữ liệu cú thể là độ dài khỏc nhau cho một kiểu dữ liệu, hoặc cỏch sắp xếp cỏc byte khỏc nhau trong một kiểu nhiều byte, hoặc sử
73
dụng bảng mó ký tự khỏc nhau. Vớ dụ, một số nguyờn cú kiểu integer cú thể biểu diễn bằng 2 byte, 4 byte hoặc 8 byte, tựy theo thế hệ CPU, hệ điều hành và mụ hỡnh lập trỡnh. Ngay cả một kiểu integer cú chiều dài 2 byte cũng cú hai cỏch sắp xếp thứ tự byte giỏ trị cao đứng trước hay đứng sau byte giỏ trị thấp. Một vớ dụ khỏc là sự khỏc nhau trong cỏch sử dụng bảng mó ký tự trong cỏc hệ thống vận chuyển thư điện tử, gõy ra khụng ớt rắc rối cho người sử dụng thuộc cỏc nước khụng núi tiếng Anh. Trong khi đa số cỏc hệ thống mới sử dụng 8 bit, thỡ một số hệ thống cũ chỉ xử lý được ký tự 7 bit, vỡ vậy một số ký tự được mó húa với giỏ trị lớn hơn 127 bị hiểu sai.
Chức năng của lớp biểu diễn dữ liệu là chuyển đổi cỏc dạng biểu diễn dữ liệu khỏc nhau về cỳ phỏp thành một dạng chuẩn, nhằm tạo điều kiện cho cỏc đối tỏc truyền thụng cú thể hiểu được nhau mặc dự chỳng sử dụng cỏc kiểu dữ liệu khỏc nhau. Núi một cỏch khỏc, lớp biểu diễn dữ liệu giải phúng sự phụ thuộc của lứp ứng dụng vào cỏc phương phỏp biểu diễn dữ liệu khỏc nhau. Ngoài ra, lớp này cũn cú thể cung cấp một số dịch vụ bảo mật dữ liệu, vớ dụ qua phương phỏp sử dụng mó khúa.
Nếu như cỏch biểu diễn dữ liệu được thống nhất, chuẩn húa, thỡ chức năng này khụng nhất thiết phải tỏch riờng thành một lớp độc lập, mà cú thể kết hợp thực hiện trờn lớp ứng dụng để đơn giản húa và nõng cao hiệu suất của việc xử lý giao thức. Đõy chớnh là một đặc trưng trong cỏc hệ thống bus trường.
Lớp kiểm soỏt nối (session layer)
Một quỏ trỡnh truyền thụng, vớ dụ trao đổi dữ liệu giữa hai chương trỡnh ứng dụng thuộc hai nỳt mạng, thường được tiến hành thành nhiều giai đoạn. Cũng như việc giao tiếp giữa hai người cần cú việc tổ chức mối quan hệ, giữa hai đối tỏc truyền thụng cần cú sự hỗ trợ tổ chức mối liờn kết. Lớp kiểm soỏt nối cú chức năng kiểm soỏt mối liờn kết truyền thụng giữa cỏc chương trỡnh ứng dụng, bao gồm cỏc việc tạo lập, quản lý và kết thỳc cỏc đường nối giữa cỏc ứng dụng đối tỏc. Cần phải nhắc lại rằng, mối liờn kết giữa cỏc chương trỡnh ứng dụng mang tớnh chất logic; thụng qua một mối liờn kết vật lý (giữa hai trạm, giữa hai nỳt mạng) cú thể tồn tại song song nhiều đường nối logic. Thụng thường, kiểm soỏt nối thuộc chức năng của hệ điều hành. Để thực hiện cỏc đường nối giữa hai ứng dụng đối tỏc, hệ điều hành cú thể tạo cỏc quỏ trỡnh tớnh toỏn song song (cạnh tranh). Như vậy, nhiệm vụ đồng bộ húa cỏc quỏ trỡnh tớnh toỏn này đối với việc sử
dụng chung một giao diện mạng cũng thuộc chức năng của lớp kiểm soỏt nối. Chớnh vỡ thế, lớp này cũn cú tờn là lớp đồng bộ húa.
Trong cỏc hệ thống bus trường, quan hệ nối giữa cỏc chương trỡnh ứng dụng được xỏc định sẵn (quan hệ tĩnh) nờn lớp kiểm soỏt nối khụng đúng vai trũ gỡ đỏng kể. Đối với một số hệ thống khỏc, chức năng của lớp này được đẩy lờn kết hợp với lớp ứng dụng vỡ lý do hiệu suất xử lý truyền thụng.
Lớp vận chuyển (transport layer)
Bất kể bản chất của cỏc ứng dụng cần trao đổi dữ liệu, điều cần thiết là dữ liệu phải được trao đổi một cỏch tin cậy. Khi một khối dữ liệu được chuyển đi thành từng gúi, cần phải đảm bảo tất cả cỏc gúi đều đến đớch và theo đỳng trỡnh tự chỳng được chuyển đi. Chức năng của lớp vận chuyển là cung cấp
74
cỏc dịch vụ cho việc thực hiện vận chuyển dữ liệu giữa cỏc chương trỡnh ứng dụng một cỏch tin cậy, bao gồm cả trỏch nhiệm khắc phục lỗi và điều khiển lưu thụng. Nhờ vậy mà cỏc lớp trờn cú thể thực hiện được cỏc chức năng cao cấp mà khụng cần quan tõm tới cơ chế vận chuyển dữ liệu cụ thể.
Cỏc nhiệm vụ cụ thể của lớp vận chuyển bao gồm: • Quản lý về tờn hỡnh thức cho cỏc trạm sử dụng
• Định vị cỏc đối tỏc truyền thụng qua tờn hỡnh thức và/hoặc địa chỉ • Xử lý lỗi và kiểm soỏt dũng thụng tin, trong đú cú cả việc lập lại
quan hệ liờn kết và thực hiện cỏc thủ tục gửi lại dữ liệu khi cần thiết • Dồn kờnh cỏc nguồn dữ liệu khỏc nhau
• Đồng bộ húa giữa cỏc trạm đối tỏc.
Để thực hiện việc vận chuyển một cỏch hiệu quả, tin cậy, một dữ liệu cần chuyển đi cú thể được chia thành nhiều đơn vị vận chuyển (data segment
unit) cú đỏnh số thứ tự kiểm soỏt trước khi bổ sung cỏc thụng tin kiểm soỏt
lưu thụng.
Do cỏc đặc điểm riờng của mạng truyền thụng cụng nghiệp, một số nhiệm vụ cụ thể của lớp vận chuyển trở nờn khụng cần thiết, vớ dụ việc dồn kờnh hoặc kiểm soỏt lưu thụng. Một số chức năng cũn lại được dồn lờn kết hợp với lớp ứng dụng để tiện việc thực hiện và tạo điều kiện cho người sử dụng tự chọn phương ỏn tối ưu húa và nõng cao hiệu suất truyền thụng.
Lớp mạng (network layer)
Một hệ thống mạng diện rộng (vớ dụ Internet hay mạng viễn thụng) là sự liờn kết của nhiều mạng tồn tại độc lập. Mỗi mạng này đều cú một khụng gian địa chỉ và cú một cỏch đỏnh địa chỉ riờng biệt, sử dụng cụng nghệ truyền thụng khỏc nhau. Một bức điện đi từ đối tỏc A sang một đối tỏc B ở một mạng khỏc cú thể qua nhiều đường khỏc nhau, thời gian, quóng đường vận chuyển và chất lượng đường truyền vỡ thế cũng khỏc nhau. Lớp mạng cú trỏch nhiệm tỡm đường đi tối ưu (routing) cho việc vận chuyển dữ liệu, giải phúng sự phụ thuộc của cỏc lớp bờn
trờn vào phương thức chuyển giao dữ liệu và cụng nghệ chuyển mạch dựng để kết nối cỏc hệ thống khỏc nhau. Tiờu chuẩn tối ưu ở đõy hoàn toàn dựa trờn yờu cầu của cỏc đối tỏc, vớ dụ yờu cầu về thời gian, quóng đường, về giỏ thành dịch vụ hay yờu cầu về chất lượng dịch vụ. Việc xõy dựng và hủy bỏ cỏc quan hệ liờn kết giữa cỏc nỳt mạng cũng thuộc trỏch nhiệm của lớp mạng. Cú thể nhận thấy, lớp mạng khụng cú ý nghĩa đối với một hệ thống truyền thụng cụng nghiệp, bởi ở đõy hoặc khụng cú nhu cầu trao đổi dữ liệu giữa hai trạm thuộc hai mạng khỏc nhau, hoặc việc trao đổi được thực hiện giỏn tiếp thụng qua chương trỡnh ứng dụng (khụng thuộc lớp nào trong mụ hỡnh OSI). Việc thực hiện trao đổi dữ liệu thụng qua chương trỡnh ứng dụng xuất phỏt từ lý do là người sử dụng (lập trỡnh) muốn cú sự kiểm soỏt trực tiếp tới đường đi của một bức điện để đảm bảo tớnh năng thời gian thực, chứ khụng muốn phụ thuộc vào thuật toỏn tỡm đường đi tối ưu của cỏc bộ router. Cũng
75
vỡ vậy, cỏc bộ router thụng dụng trong liờn kết mạng hoàn toàn khụng cú vai trũ gỡ trong cỏc hệ thống bus trường.
Lớp liờn kết dữ liệu (data link layer)
Lớp liờn kết dữ liệu cú trỏch nhiệm truyền dẫn dữ liệu một cỏch tin cậy trong qua mối liờn kết vật lý, trong đú bao gồm việc điều khiển việc truy nhập mụi trường truyền dẫn và bảo toàn dữ liệu. Lớp liờn kết dữ liệu cũng thường được chia thành hai lớp con tương ứng với hai chức năng núi trờn: Lớp điều khiển truy nhập mụi trường (medium access control, MAC) và lớp điều khiển liờn kết logic (logical link control, LLC). Trong một số hệ thống, lớp liờn kết dữ liệu cú thể đảm nhiệm thờm cỏc chức năng khỏc như kiểm soỏt lưu thụng và đồng bộ húa việc chuyển giao cỏc khung dữ liệu.
Để thực hiện chức năng bảo toàn dữ liệu, thụng tin nhận được từ lớp phớa trờn được đúng gúi thành cỏc bức điện cú chiều dài hợp lý (frame). Cỏc khung dữ liệu này chứa cỏc thụng tin bổ sung phục vụ mục đớch kiểm lỗi, kiểm soỏt lưu thụng và đồng bộ húa. Lớp liờn kết dữ liệu bờn phớa nhận thụng tin sẽ dựa vào cỏc thụng tin này để xỏc định tớnh chớnh xỏc của dữ liệu, sắp xếp cỏc khung lại theo đỳng trỡnh tự và khụi phục lại thụng tin để chuyển tiếp lờn lớp trờn nú.
Lớp vật lý (physical layer)
Lớp vật lý là lớp dưới cựng trong mụ hỡnh phõn lớp chức năng truyền thụng của một trạm thiết bị. Lớp này đảm nhiệm toàn bộ cụng việc truyền dẫn dữ liệu bằng phương tiện vật lý. Cỏc qui định ở đõy mụ tả giao diện vật lý giữa một trạm thiết bị và mụi trường truyền thụng:
• Cỏc chi tiết về cấu trỳc mạng (bus, cõy, hỡnh sao,...) • Kỹ thuật truyền dẫn (RS-485, MBP, truyền cỏp quang,...) • Phương phỏp mó húa bit (NRZ, Manchester, FSK,...)
• Chế độ truyền tải (dải rộng/dải cơ sở/dải mang, đồng bộ/khụng đồng bộ) • Cỏc tốc độ truyền cho phộp
• Giao diện cơ học (phớch cắm, giắc cắm,...).
Lưu ý rằng lớp vật lý hoàn toàn khụng đề cập tới mụi trường truyền thụng, mà chỉ núi tới giao diện với nú. Cú thể núi, qui định về mụi trường truyền thụng nằm ngoài phạm vi của mụ hỡnh OSI.
Lớp vật lý cần được chuẩn húa sao cho một hệ thống truyền thụng cú sự lựa chọn giữa một vài khả năng khỏc nhau. Trong cỏc hệ thống bus trường, sự lựa chọn này khụng lớn quỏ, hầu hết dựa trờn một vài chuẩn và kỹ thuật cơ bản.
Tiến trỡnh thực hiện giao tiếp theo mụ hỡnh OSI được minh họa bằng một vớ dụ trao đổi dữ liệu giữa một mỏy tớnh điều khiển và một thiết bị đo thụng minh, như thể hiện trờn Hỡnh 2.39. Cỏc mũi tờn nột gạch chấm biểu thị quan hệ giao tiếp logic giữa cỏc lớp tương đương thuộc hai trạm. Lớp vật lý thuộc trạm A được nối trực tiếp với lớp vật lý thuộc trạm B qua cỏp truyền. Trong thực tế, cỏc chức năng thuộc lớp vật lý và lớp liờn kết dữ liệu được thực hiện hầu hết trờn cỏc mạch vi điện tử của phần giao diện mạng. Đối với mỏy tớnh
76
điều khiển hoặc thiết bị đo thỡ phần giao diện mạng cú thể tớch hợp trong phần xử lý trung tõm, hoặc dưới dạng một module riờng.
Khi chương trỡnh điều khiển ở trạm A cần cập nhật giỏ trị đo, nú sẽ sử dụng dịch vụ trao đổi dữ liệu ở lớp ứng dụng để gửi một yờu cầu tới trạm B. Trong thực tế, quỏ trỡnh này cú thể được thực hiện đơn giản bằng cỏch gọi một hàm trong thư viện giao tiếp của mạng được sử dụng. Quan hệ nối giữa